CN108982400A - 一种基于热分析-红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法 - Google Patents
一种基于热分析-红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于热分析‑红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法，采用热分析‑红外分析联用的测试手段，将热分析产生的气态产物通过红外吸收光谱进行在线检测，实时记录气体产物的红外吸收光谱信息并进行气体成分解析和流量计算；选取能够代表单一反应过程的特征气体产物，提取特征气体单组分的流量数据，经数学处理后转化为“反应转化率‑时间(温度)”的数据点，根据数据点进行单一反应的动力学计算。与现有技术相比，本发明解决了传统热分析动力学由于采用TG或者DSC数据而无法从重合的复杂反应过程中计算单一反应动力学的难题，为复杂反应中单一反应的研究和控制提供了一种实现手段，拓展了热分析动力学的应用范围。
Description
技术领域
本发明属于测试分析技术领域，特别涉及一种基于热分析-红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法。
背景技术
动力学分析是材料研究的基础方法之一。通过动力学分析，能够获得材料的热反应特征、动力学参数(如表观活化能、指前因子等)、反应机理和动力学方程等。传统的动力学分析方法是采用热分析，利用热分析试验得到的TG或者DSC数据计算反应转化率数据，再对反应转化率-温度(或时间)数据按照动力学算法进行拟合计算，从而得到表观活化能、指前因子和反应机理等参数和动力学方程。对于包含多种物质或存在多步反应的样品来说，在反应过程中通常会发生多种温度范围相互重叠的单一反应。对于这类样品，热分析测试得到的TG和DSC数据是多个单一反应的质量变化叠加或者热量变化叠加的结果，因而无法区分复杂反应中每个单一反应的信息。因此，对于复杂反应采用传统方法只能得到宏观动力学方程，而无法对其中的单一反应进行分析和动力学计算。在科学研究和生产实践中，通常涉及需要从复杂反应中分离出某些重要单一反应进行研究和控制的情景，而现有动力学方法对与这类需求通常是无能为力的。因此，发明新的方法解决复杂反应中单一反应动力学的计算问题十分必要。
发明内容
为了克服传统动力学方法的上述缺点，本发明的目的在于提供一种基于热分析-红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法，采用热分析-红外分析联用的测试方法，对释放的气体产物的种类进行鉴别和流量计算，提取待研究的单一反应的特征气体的流量数据，进行一系列加工和处理后，获得单一反应的“反应转化率-时间(温度)”的数据点，再运用适当的动力学方法进行单一反应动力学的计算，从而为复杂反应中单一反应动力学的计算提供了一种新的方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于热分析-红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法，包括以下步骤：
步骤一，以固定的升温速率进行热分析-红外分析联用测试，将热分析产生的气态产物通过红外吸收光谱进行在线检测，实时记录气体产物的红外吸收光谱信息。根据不同的动力学计算方法的要求，测试采用的固定升温速率可以是一个或者多个；
步骤二，对红外吸收光谱数据进行解析，确定释放气体产物组分的种类，选择能够代表待研究单一反应的特征气体产物。所选择的特征气体产物必须具备唯一识别待研究单一反应的特征，并且其释放过程伴随单一反应的全过程。对选择的特征气体，计算其释放的流量随时间的变化数据，以时间(或温度)为横坐标、以特征气体的流量数据为纵坐标进行绘图，得到特征气体产物释放流量与时间(或温度)关系图。
其中，计算特征气体释放的流量随时间的变化数据的方法如下：
步骤1，将热反应产生的混合气体接入红外吸收光谱仪，对混合气体进行红外吸收光谱测量，得到包含波数、吸光度和时间三个坐标轴的三维红外吸收光谱图；
(1)对于易液化的气体产物，采取保温或气氛加速驱动的处理措施，防止气体产物液化，确保实时监测能够连续稳定运行；
(2)对于含尘气体，设置粉尘净化装置，以免造成红外吸收光谱分析系统堵塞，或者影响测量精度；
(3)对于水蒸气不作为检测组分的分析，设置干燥装置除去水蒸气，以免对微量组分的红外吸收造成干扰甚至屏蔽。
步骤2，从三维红外吸收光谱图中，标注出每个吸收峰最高位置所对应的时间，分别解析出标注时间所对应的以吸光度为纵坐标、波数为横坐标的一系列二维红外吸收光谱图；
(1)涉及标注的红外吸收峰，必须包括全部的吸收峰，但不包括由于测试中由于某种原因在波数坐标两端出现的半峰；
(2)标注位置必须是每个吸收峰上出现最大吸收的位置，亦即吸收峰的最高位置；
(3)必须要解析出每个标注位置所对应的以吸光度为纵坐标、波数为横坐标的二维红外吸收光谱图，确保解析出的一系列二维红外吸收光谱图涵盖所有的气体组分。
步骤3，将所解析出的一系列二维红外吸收光谱图，分别进行红外吸收标准谱库检索，通过与标准气体的红外吸收图谱进行比较，解析出混合气体中包含的各种气体组分；
(1)必须对解析出的所有二维红外吸收光谱图都进行标准谱库检索，以匹配度为依据，确定气体组分；
(2)所检索出的气体组分的红外吸收光谱，必须涵盖三维红外吸收光谱图中所有出现的红外吸收峰。
步骤4，对每种气体组分分别选取一个不与其它组分重合的吸收峰，作为该气体组分的特征红外吸收峰；
(1)选取的特征红外吸收峰，不能与其它气体组分的红外吸收峰的位置发生重叠；
(2)在所有不重叠的红外吸收峰中，应优先选取红外吸收强度高的吸收峰，作为特征红外吸收峰。
步骤5，建立红外吸收强度与相对流量转换的计算模型，分别对各种气体组分的特征红外吸收峰进行计算，最终得到各种气体组分的相对流量随时间变化的关系图。
(1)所建立的计算模型包括模数转换、微分和积分运算方法；
(2)应根据不同单组分各自的红外吸收光谱特征，建立合适的算法模型，对不同气体组分的建模方法可以相同，也可以不同；
(3)所建立模型应具备的功能是：通过输入特征红外吸收峰的强度随时间的变化数据，计算后输出各种组分的相对流量随时间的变化数据。
步骤三，对步骤二中得到的特征气体产物释放流量与时间(或温度)关系图中的曲线进行微分运算，得到特征气体单组分的释放流量的微分曲线。每个单一反应的特征气体的释放流量的微分曲线上，均包括一个向上的波峰连接一个向下的波谷；
步骤四，在步骤三得到的特征气体的释放流量的微分曲线上，以波峰起始位置(切线向上偏离水平线的位置)对应的时间(或温度)作为反应起始点，以波谷结束位置(切线向下与水平线重合的位置)的时间(或温度)作为反应结束点进行标注；
步骤五，在步骤四所确定的反应起始点和反应结束点之间，对步骤二中得到的特征气体产物释放流量与时间(或温度)关系图中的曲线进行积分运算，得到曲线上任意一点位置对应的累积积分面积数据和总积分面积数据；以时间(或温度)为横坐标、以各点对应的累积面积与总面积的比值数据为纵坐标绘图，得到特征气体的释放流量的积分曲线。该积分曲线代表反应的转化率与时间(或温度)的关系；
步骤六，将步骤五中得到的特征气体释放流量的积分曲线导出为一系列的数据点，即得到“反应转化率-时间(或温度)”的关系数据；
步骤七，将步骤六中得到的“反应转化率-时间(或温度)”关系数据，利用现有的各种动力学方法进行计算，即可得到所研究单一反应的动力学方程。
在步骤一中：
(1)测试采用热分析和红外分析联用的实验方法；
(2)测试必须按照固定升温速率的升温方式进行，可以采用一个或者多个升温速率；
(3)同时获得热分析和气体产物的红外吸收光谱数据。
在步骤二中：
(1)数据处理包括热分析和红外吸收光谱解析、气体产物种类鉴别、气体组分流量计算等必不可少的步骤；
(2)所选择的特征气体产物必须具备唯一识别待研究单一反应的特征，并且其释放过程伴随单一反应的全过程；
(3)须将特征气体的释放流量以图示的方式表示，即：以时间或温度为横坐标、以特征气体的流量数据为纵坐标进行绘图。
在步骤三中：
(1)包含必不可少的微分运算步骤，并且需要将微分计算的结果以曲线图的形式表示；
(2)在特征气体的释放流量的微分曲线上，单一反应过程均包括一个向上的波峰连接一个向下的波谷，并且具备“波峰在前、波谷在后”的特征。
在步骤四中：
(1)反应起始点的标注以波峰起始位置即切线向上偏离水平线的位置为依据，结束点的标注以波谷结束位置即切线向下与水平线重合的位置为依据。
在步骤五中：
(1)数据处理包含必不可少的积分运算，积分运算的范围从反应起始点开始到反应结束点结束；
(2)积分运算必须得到曲线上任意一点位置对应的累积积分面积数据和总积分面积数据；
(3)须将积分运算的结果以图示形式表示，即：以时间或温度为横坐标、以各点对应的累积面积与总面积的比值数据为纵坐标绘图。
在步骤六中：
(1)须将特征气体的释放流量的积分曲线导出为“反应转化率-时间或温度”的数据点。
在步骤七中：
(1)动力学计算是以“反应转化率-时间”数据或者“反应转化率-温度”数据为基础的。
与现有的技术相比，本发明解决了传统动力学分析采用TG或者DSC无法从复杂反应中计算单一反应动力学的难题，拓展了热分析动力学的应用范围，对科学研究和生产控制等领域广泛存在的复杂反应研究和关键反应控制具有重要的意义。
附图说明
图1为某种材料热红联用测试得到的H2O(g)和CO2释放流量图。
图2为H2O(g)释放流量的微分曲线和积分曲线。
图3为CO2释放流量的微分曲线和积分曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
下面结合附图对本发明的具体步骤做详细描述。某样品的热反应过程包括脱水和脱碳两个单一反应，并且这两个单一反应存在重叠的温度范围。对于这种情况，采用通常的热分析动力学方法是无法计算脱水和脱碳两个单一过程的动力学的。而采用本发明可以将两个单一反应过程进行区分，并进行单一反应的动力学计算。本实施例的具体步骤如下：
一种基于热分析-红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法，包括以下步骤：
步骤一，以固定的升温速率进行热分析-红外分析联用测试，将热分析产生的气态产物通过红外吸收光谱进行在线检测，实时记录气体产物的红外吸收光谱信息。本实施例中采用的固定升温速率为15℃/min，样品量为8.5mg，测试温度为室温～1000℃；
步骤二，对红外吸收光谱数据进行解析，确定该样品热反应释放气体产物组分的种类为H2O(g)和CO2。选择H2O(g)为脱水反应的特征产物，选择CO2为脱碳反应的特征产物，分别计算H2O(g)和CO2的释放流量随时间的变化数据，以时间(或温度)为横坐标、以特征气体的流量数据为纵坐标进行绘图，得到特征气体产物释放流量与温度关系图，见附图1。
步骤三，对步骤二中得到的特征气体H2O(g)的释放流量与温度关系图中的曲线(见附图1中曲线2)进行微分运算，得到特征气体H2O(g)的释放流量的微分曲线，见附图2中的曲线2。
对步骤二中得到的特征气体CO2的释放流量与温度关系图中的曲线(见附图1中曲线3)进行微分运算，得到特征气体CO2的释放流量的微分曲线，见附图3中的曲线2。
每个单一反应的特征气体的释放流量的微分曲线上，均包括一个向上的波峰连接一个向下的波谷。附图2中的曲线2上存在一个波峰相连一个波谷，据此判断脱水反应为单一反应。附图3中的曲线2上存在两个波峰连接波谷的情况，表明脱碳反应实际上包含两个单一反应。
步骤四，在步骤三得到的特征气体H2O(g)的释放流量的微分曲线上(见附图2中的曲线2)，以波峰起始位置(切线向上偏离水平线的位置)标注脱水反应的起始点为397.0℃，以波谷结束位置(切线向下与水平线重合的位置)标注脱水反应的结束点为738.0℃。采用同样的方法，在特征气体CO2的释放流量的微分曲线上(见附图3中的曲线2)，标注脱碳反应第一步的起始点为347.3℃、结束点为454.9℃，脱碳反应第二步的起始点为575.0℃、结束点为848.9℃；
步骤五，对特征气体H2O(g)的释放流量与温度关系图中的曲线(见附图1中曲线2或附图2中曲线1)在397.0℃～738.0℃之间进行积分运算，得到曲线上任意一点位置对应的累积积分面积数据和总积分面积数据。以温度为横坐标、以各点对应的累积面积与总面积的比值数据为纵坐标绘图，得到特征气体H2O(g)的释放流量的积分曲线，见附图2中的曲线3。
采用同样的方法，对特征气体CO2的释放流量与温度关系图中的曲线(见附图1中曲线3或附图3中曲线1)分别在347.3℃～454.9℃和575.0℃～848.9℃的温度范围内积分，得到曲线上任意一点位置对应的累积积分面积数据和总积分面积数据。以温度为横坐标、以各点对应的累积面积与总面积的比值数据为纵坐标分别绘图，得到特征气体CO2的在脱碳第一步释放流量的积分曲线见附图3中的曲线3，在脱碳第二步释放流量的积分曲线见附图3中的曲线4；
步骤六，将步骤五中得到的特征气体H2O(g)和CO2的释放流量的积分曲线(分别见附图2中的曲线3、附图3中的曲线3和曲线4)分别导出为一系列的数据点，即得到“反应转化率-时间(或温度)”的关系数据，见附表1；
表1样品的“反应转化率-温度”数据
步骤七，将步骤六中得到的“反应转化率-时间(或温度)”关系数据(见附表1)，利用现有的各种动力学方法进行计算(以一般积分法为例，计算方法与传统动力学方法相同)，即可得到脱水反应和两步脱碳反应的动力学方程。
根据附表1的数据，按照一般积分法进行动力学计算，得到的反应活化能和反应机理的计算结果见附表2。
表2样品脱水和脱碳反应的动力学计算结果
根据附表2的结果，该样品脱水的动力学方程为：
脱碳第一步反应的动力学方程为：
脱碳第二步反应的动力学方程为：
采用本发明的方法，将某样品的脱水和脱碳反应进行过程分离和动力学计算，从而得到了脱水和两步脱碳反应的活化能、指前因子、反应机理和动力学方程，这些信息是传统热分析动力学方法无法得到的。
需要指出的是，如果动力学计算采用多重升温速率法，则需要至少四个固定升温速率的测试，然后再利用本发明的步骤分别解出每个升温速率下对应的“反应转化率-时间(或温度)”数据，再进行动力学计算。具体原理和步骤与本实施例类似，不再赘述。
Claims (8)
1.一种基于热分析-红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，以固定的升温速率进行热分析-红外分析联用测试，将热分析产生的气态产物通过红外吸收光谱进行在线检测，实时记录气体产物的红外吸收光谱信息；
步骤二，对红外吸收光谱数据进行解析，确定释放气体产物组分的种类，选择能够代表待研究单一反应的特征气体产物，并计算其释放的流量随时间的变化数据，以时间或温度为横坐标、以特征气体的流量数据为纵坐标进行绘图，得到特征气体产物释放流量与时间或温度关系图；
步骤三，对步骤二中得到的特征气体产物释放流量与时间或温度关系图中的曲线进行微分运算，得到特征气体单组分的释放流量的微分曲线，每个单一反应的特征气体的释放流量的微分曲线上，均包括一个向上的波峰连接一个向下的波谷；
步骤四，在步骤三得到的特征气体的释放流量的微分曲线上，以波峰起始位置即切线向上偏离水平线的位置对应的时间或温度作为反应起始点，以波谷结束位置即切线向下与水平线重合的位置的时间或温度作为反应结束点进行标注；
步骤五，在步骤四所确定的反应起始点和反应结束点之间，对步骤二中得到的特征气体产物释放流量与时间或温度关系图中的曲线进行积分运算，得到曲线上任意一点位置对应的累积积分面积数据和总积分面积数据；以时间或温度为横坐标、以各点对应的累积面积与总面积的比值数据为纵坐标绘图，得到特征气体的释放流量的积分曲线，该积分曲线代表反应的转化率与时间或温度的关系；
步骤六，将步骤五中得到的特征气体释放流量的积分曲线导出为一系列的数据点，即得到“反应转化率-时间或温度”的关系数据；
步骤七，将步骤六中得到的“反应转化率-时间或温度”关系数据，利用现有的各种动力学方法进行计算，即可得到所研究单一反应的动力学方程。
2.根据权利要求1所述基于热分析-红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法，其特征在于，在步骤一中：
(1)测试采用热分析和红外分析联用的实验方法；
(2)测试必须按照固定升温速率的升温方式进行，可以采用一个或者多个升温速率；
(3)同时获得热分析和气体产物的红外吸收光谱数据。
3.根据权利要求1所述基于热分析-红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法，其特征在于，在步骤二中：
(1)数据处理包括热分析和红外吸收光谱解析、气体产物种类鉴别、气体组分流量计算等必不可少的步骤；
(2)所选择的特征气体产物必须具备唯一识别待研究单一反应的特征，并且其释放过程伴随单一反应的全过程；
(3)须将特征气体的释放流量以图示的方式表示，即：以时间或温度为横坐标、以特征气体的流量数据为纵坐标进行绘图。
4.根据权利要求1所述基于热分析-红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法，其特征在于，在步骤三中：
(1)包含必不可少的微分运算步骤，并且需要将微分计算的结果以曲线图的形式表示；
(2)在特征气体的释放流量的微分曲线上，单一反应过程均包括一个向上的波峰连接一个向下的波谷，并且具备“波峰在前、波谷在后”的特征。
5.根据权利要求1所述基于热分析-红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法，其特征在于，在步骤四中：
(1)反应起始点的标注以波峰起始位置即切线向上偏离水平线的位置为依据，结束点的标注以波谷结束位置即切线向下与水平线重合的位置为依据。
6.根据权利要求1所述基于热分析-红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法，其特征在于，在步骤五中：
(1)数据处理包含必不可少的积分运算，积分运算的范围从反应起始点开始到反应结束点结束；
(2)积分运算必须得到曲线上任意一点位置对应的累积积分面积数据和总积分面积数据；
(3)须将积分运算的结果以图示形式表示，即：以时间或温度为横坐标、以各点对应的累积面积与总面积的比值数据为纵坐标绘图。
7.根据权利要求1所述基于热分析-红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法，其特征在于，在步骤六中：
(1)须将特征气体的释放流量的积分曲线导出为“反应转化率-时间或温度”的数据点。
8.根据权利要求1所述基于热分析-红外分析联用从复杂反应中计算单一反应动力学的方法，其特征在于，在步骤七中：
(1)动力学计算是以“反应转化率-时间”数据或者“反应转化率-温度”数据为基础的。
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2018
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